JP4269863B2 - 双方向高耐圧プレーナ型半導体装置 - Google Patents

Description

本発明はマトリックスコンバータなどの電力変換装置に使用される逆阻止絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）に代表される双方向高耐圧プレーナ型半導体装置に関する。さらに詳しくは双方向高耐圧プレーナ型半導体装置の接合終端構造に関する。

従来の双方向高耐圧プレーナ型半導体装置について、図５の断面図に示す従来の双方向プレーナ形接合終端構造と、従来の図１０の断面図に示す活性領域を備えるプレーナ形ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を用いて説明する。前記図１０に示すプレーナ形ＩＧＢＴは、主要な用途であるインバータ回路やチョッパー回路では、直流電源下で使用されるので、順方向の耐圧さえ保証できれば問題はなく、素子設計の段階から逆方向耐圧確保を考慮せずに作られていた。そのため、コレクタ側の逆耐圧ｐｎ接合１２３のエッジは通常チップ切断面を未処理で露出させたままである。

しかし、最近、半導体電力変換装置において、ＡＣ（交流）／ＡＣ変換、ＡＣ／ＤＣ（直流）変換、ＤＣ／ＡＣ変換を行うため、図７に示す直接リンク形変換回路等のマトリクスコンバータの用途に双方向スイッチング素子を使用することにより、回路の小型化、軽量化、高効率化、高速応答化および低コスト化を図る研究がなされるようになった。

従来のＩＧＢＴは、前述のように逆耐圧を必要としない直流回路に用いられていたので、そもそも逆方向電圧阻止（逆耐圧）能力を高信頼性で保証するような素子設計および製造方法がとられていない。そのため、交流回路で使用する際に必要な逆耐圧を確保するためには、図８に示すようにＩＧＢＴ５０に直列にダイオード５１を新たに接続して双方向スイッチング素子として変換装置を構成していた。その結果、発生損失に追加したダイオード５１分も含まれることになり、変換装置の変換効率の低下を招いていた。さらに、素子点数が多くなる結果、変換装置の小型化、軽量化、低コスト化が困難となっていた。そこで、図９に示すように前記双方向スイッチング素子を構成する逆並列接続ＩＧＢＴにダイオード５２を直列接続しなくてもよいように、高信頼性の逆耐圧能力を持ったＩＧＢＴが要望されるようになった。

前記図５の断面図に示す双方向プレーナ形接合終端構造は、よく知られている分離拡散領域１０１を形成することにより、逆耐圧を持たせるようにした従来技術範囲のプレーナ形ＩＧＢＴの接合終端構造を示す要部断面図である。この図５に示すプレーナ形ＩＧＢＴの断面図に示すようにｐ形不純物拡散によりｎ形半導体基板の一方から他方の主面に到達するように形成された分離拡散領域１０１に囲まれた領域内において、高比抵抗ｎ形半導体基板１００の一方の主面側１０２に、図５の右側の不図示の部分に、前記図１０で示すｐベース領域１０３が形成され、他方の主面側にはｎ形半導体基板１００を挟んでｐコレクタ層１０４を備える。前記一方の主面側１０２にある活性領域１０５内の前記ｐベース領域１０３内にはｎエミッタ領域１０６（図１０に示す）が形成される。前記活性領域１０５の外周側の表面には、前記ｐ形の分離領域１０１との間に前記ｐベース領域１０３と同時形成されたｐ形のフローティングガードリング１０７がリング状に所要本数形成されてプレーナ型の接合終端領域１０８を構成している。さらに一方の主面側１０２の表面で、図１０の断面図に示すように、前記ｎエミッタ領域１０６とｎ形半導体基板領域の表面部１０９とに挟まれたｐベース領域のチャネル領域１１０には、該チャネル領域１１０表面に接するゲート酸化膜１１１と、このゲート酸化膜に接するゲート電極１１２が形成される。エミッタ電極１１３は前記ｎエミッタ領域１０６とｐベース領域１０３とを表面で短絡させるパターンでオーム接触形成され、前記他方の主面側のコレクタ領域１０４にはコレクタ電極１１４がオーム接触形成される。前記ゲート電極１１２とエミッタ電極１１３とが重なる部分（不図示）には層間絶縁膜を介在させることにより、相互の絶縁が確保されている。図５の断面図に戻って、前記活性領域１０５内のｐベース領域１０３と、ｐ形の分離領域１０１と、接合終端領域１０８内のｐ形のフローティングガードリング領域１０７との各領域間の表面上にはシリコン酸化膜１１５やＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜（層間絶縁膜）１１６等のフィールド絶縁膜１１７が形成され、さらに前記絶縁膜１１７上には、前記各ｐ形ガードリング領域にそれぞれ電気的に接続された金属膜がフィールドプレート１１８としての機能を発揮するように、前記各領域間にオーバーラップさせて被覆形成されている。従来、図１０に示す通常のＩＧＢＴのプレーナ型接合終端構造は、前述のようにＩＧＢＴに印加されるバイアス電圧極性の一方向だけ、すなわち、コレクタ電極を正に、エミッタ電極をグラウンド電位とする方向の順方向電圧を主として阻止することを目的とする構造の半導体素子である。

プレーナ型接合の接合終端構造１０８を設計する上での考え方は、順方向電圧の印加と共にｐｎ主接合から深さ方向に平面状に均一に拡がる活性領域１０５内の空乏層よりも、空乏層の拡がり方に偏りがあって局部的な電界集中の起き易い接合終端領域１０８内の空乏層をよりいっそう拡がり易くして、接合終端領域１０８内の空乏層による電界強度を前記活性領域１０８内の電界強度よりも緩和されるように設計することである。

そのような緩和方法としては、プレーナ型ｐｎ主接合を取り囲むフローティングガードリングを形成する方法（特許文献１）、プレーナ型ｐｎ接合の表面終端上に絶縁膜を介して主電極から延長される金属電極を張り出させる導電性フィールドプレートを形成する方法（特許文献２）、プレーナ型の接合終端領域の表面を活性領域から端部にかけて絶縁膜を介して高抵抗性膜（１×１０^７Ωｃｍ以上）で被覆することにより、高抵抗性膜に電圧印加時に漏れ電流を流して一定の電圧分布を形成し、表面における空乏層を拡がり易くする方法（特許文献２）およびＲＥＳＵＲＦ（Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）（特許文献３）と言われる方法などが知られている。

活性領域１０８内でのブレークダウンはｐｎ接合が均一な平面状なので、ブレークダウンも平面接合で均一に生じる。そのため、ブレークダウン時に最も問題になる発生熱による熱暴走が緩和され、高耐性（高アバランシェ耐量）が得られるから好ましいのである。

一方、プレーナ接合終端領域内での空乏層の拡がり方は、図２に示すように等電位線１１９で表した場合、平面状の活性領域１０５から延びる等電位線の終端が表面１０２に抜けて空乏層は曲面状に拡がるだけでなく、その等電位線間隔が局所的に狭い領域（すなわち電界集中が起き易い局所領域）が発生し易いので、局所的なブレークダウンが起き易い電界集中領域が、元来発生しやすい。そのため、電界強度を緩和させる構造を積極的に採らないと、均一な平面ｐｎ接合を有する前記活性領域でのブレークダウン電圧よりもかなり低い電圧でかつ狭い領域で電界集中によりブレークダウンしてしまうことが通常である。そのために接合終端構造として、フローティングガードリング１０７とフィールドプレート１１８を合わせて採用し、前記図５の断面図で示したような構造とし、接合終端領域内での電界強度を活性領域内よりも緩和させて、ブレークダウンを活性領域内で起きるようにしてきた。

さらに、前述の接合終端構造を図６に示す分離拡散型逆阻止ＩＧＢＴに適用する場合、エミッタ電極をグラウンド電位とし、コレクタ電位を負電位とする逆方向電圧を印加すると、低い印加電圧で接合終端構造の最外周部Ｃでブレークダウンが発生する。これは最外周部のフローティングリング間の間隔１２０が広くてリング間で負担する電位差が非常に大きくなり、電界集中が起き易いことと、最外周から数個のリング上のフィールドプレートが必ずしも適切な配置にされていないために、双方向矢印で示す間隔Ｄ１０も広く、空乏層１２１が表面で内周側に向って延びにくく、高電界が緩和されないためである。
米国特許第３３９１２８７号明細書 特公昭５２−２７０３２号公報 特開平６−３３４１８８号公報

しかしながら、前記フローティングガードリング構造と導電性フィールドプレート構造を採用した絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの接合終端構造は、順方向耐圧でさえ、まだ充分に安定した高信頼性の耐圧構造とは言えなかった。ましてや逆方向耐圧は新たな接合終端構造を設計し直さなければならなかった。

本発明は、以上説明してきた点を鑑みてなされたものであり、順方向耐圧をよりいっそう高信頼性に安定させ、逆方向耐圧構造を新たに工夫し、順逆方向共に、電圧印加時に、接合終端構造内での電界集中によるブレークダウンが発生せず、共に高アバランシェ耐量を有する双方向高耐圧プレーナ型半導体装置の提供を目的とする。

特許請求の範囲の請求項１記載の発明によれば、前記目的は、第一導電型半導体基板の一方の主面から他方の主面に至る第二導電型の分離拡散領域と、該分離拡散領域に囲まれた前記半導体基板の一方の主面側に形成されるプレーナ接合を有する第二導電型ベース領域と、該ベース領域と前記分離拡散領域との間に形成される接合終端構造とを少なくとも備え、第一導電型半導体基板の他方の主面側には前記分離拡散領域に接続される第二導電型のコレクタ層を備える高耐圧プレーナ型半導体装置において、前記接合終端構造が前記第二導電型ベース領域の外周表面に間隔をおいて形成される第二導電型環状フローティングガードリングと、前記分離拡散領域と前記ガードリングと前記第二導電型ベース領域とのそれぞれの間の表面に形成されるフィールド絶縁膜と、前記分離拡散領域と前記ガードリングと前記第二導電型ベース領域とにそれぞれ導電接触する導電性フィールドプレートとを具備し、少なくとも最内周とその次の内周の前記フィールド絶縁膜上では前記導電性フィールドプレートが外周に向う方向に張り出し、かつ少なくとも最外周とその次の内周の前記フィールド絶縁膜上では前記導電性フィールドプレートが内周に向う方向に張り出しており、前記ガードリングが接合端部構造の中央部のガードリングを挟んでそれぞれ一リング以上形成され、フィールド絶縁膜上で外周または内周に向う方向に張り出した各導電性フィールドプレートの先端と、前記各導電性フィールドプレートに直近の外側または内側の、それぞれ対応するガードリング表面の最内端または最外端とのそれぞれの距離が最内周または最外周ガードリングから外側または内側のガードリングに向って、中央部ガードリングに至るまで順次広くされる構成を有する双方向高耐圧プレーナ型半導体装置とすることにより、達成される。

特許請求の範囲の請求項２記載の発明によれば、接合終端構造が、第二導電型ベース領域の外周表面に間隔をおいて形成される第二導電型環状フローティングガードリングが、中央部ガードリングより内周側では主として順方向耐圧を担い、中央部より外周側では主として逆方向耐圧を担う請求項１記載の双方向高耐圧プレーナ型半導体装置とすることが望ましい。

特許請求の範囲の請求項３記載の発明によれば、半導体装置が逆阻止絶縁ゲート型バイポーラトランジスタである請求項１または２記載の双方向高耐圧プレーナ型半導体装置とすることが好ましい。

本発明によれば、順逆バイアスのいずれの場合でも、設計耐圧より低い印加電圧で電界集中が起き易い接合終端構造内の最内周および最外周でも電界集中によるブレークダウンが起き難く、高耐圧の設計耐圧が得られる。また、ブレークダウンが起きるとしても、活性領域内の接合下で発生するため、高アバランシェ耐量と順逆耐圧特性における高信頼性とを実現できる。

以下、本発明にかかる双方向高耐圧プレーナ型半導体装置に関し、図面を用いて詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する一実施例としての逆阻止絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下逆阻止プレーナ形ＩＧＢＴと略す）に限定されるものではない。

図１は本発明にかかる導電性フィールドプレート付きフロ―ティングガードリングを備える逆阻止プレーナ半導体装置としての逆阻止プレーナ形ＩＧＢＴの接合終端構造部を示す断面図である。本発明にかかるプレーナ形ＩＧＢＴの活性領域については、前記図１０の構造と同様である。すなわち、ｎ形半導体基板１の一方の主面８側にｐベース領域３が形成され、他方の主面側９にはｎ形半導体基板１を挟んでｐコレクタ層２を備える。前記一方の主面側８にある活性領域１０５内の前記ｐベース領域３内にはｎエミッタ領域（不図示）が形成される。さらに、一方の主面側８の表面には前記図１０と同様なので、重複を避けるため、簡単に説明するとゲート酸化膜と、このゲート酸化膜に接するゲート電極およびエミッタ電極それぞれが形成される。前記他方の主面側のコレクタ領域にはコレクタ電極がオーム接触形成される。前記活性領域１０５の外周側の表面には、前記ｐ形の分離領域５との間に前記ｐベース領域３と同時形成されたｐ形のフローティングガードリング１１がリング状に所要本数形成されてプレーナ型の接合終端領域１０を構成している。図３、図４は図１の接合終端構造の主として順耐圧、逆耐圧をそれぞれ担う部分の拡大断面図である。本発明にかかるＩＧＢＴの接合終端構造では、導電性フィールドプレート先端２１−１と第一フロ―ティングガードリング最内周端２２−１との間隔Ｄ１が他の間隔Ｄ２、Ｄ３などに比べて最も狭くなる構造にされる。言い換えると、本発明のＩＧＢＴの順耐圧構造は、前記図３の断面図において、前記導電性フィールドプレート先端２１−１と前記第一フロ―ティングガードリング最内周端２２−１からそれぞれ中央部ガードリングの方向に向う各導電性フィールドプレート先端２１−２、２１−３と各第二、第三、フロ―ティングガードリング内周端２２−２、２２−３とのそれぞれの間隔Ｄ２、Ｄ３を前記Ｄ１よりも順に広げていく構造とすることである。同じく逆耐圧構造は、前記図4の断面図に示すように、間隔Ｄ５より間隔Ｄ６を広くする構造設計とするのである。この構造設計は単にフローティングガードリング間の距離を前述のように順次広げていく構造よりもいっそう空乏層による電界集中の緩和効果が大きいことが分かった。具体的には、このような構造設計とすることにより、次に述べるような効果が得られる。

エミッタ電極をグラウンド電位とし、コレクタ電極を正電位とする順方向バイアス時には、図３の断面図に示すように空乏層１９はエミッタ接合側から矢印で示す外周方向に延びる。その時の電界強度は最内周部２１−１近傍が最も高くなる。空乏層が第一フローティングガードリングの内周端２２−１に到達すると、前記フローティングガードリングはｎ半導体基板層に比べるとｐベース領域と同じ高濃度不純物拡散プロフィルを有する低抵抗層で、導体と見なせるので、前記フローティングガードリング内は単一電位となる。さらに電位を上げると、空乏層は第一フローティングガードリングの外周端Ｂから再び伸びはじめる。同じバイアス電位に対して、第一フローティングガードリングが無い場合に比べて、空乏層の表面に抜ける位置の最内周表面からの実質的な距離が長くなり、その分表面における電界強度が緩和される。また、空乏層の曲率半径が大きくなり、曲率が緩和され、その分電界強度が緩和される。また、前述のように空乏層が広がる際の電界強度は最内周側が最も高くなるので、前記間隔Ｄ１で分担する電界が小さくなるように前記間隔Ｄ１を最も狭くする。そして、空乏層が表面から外部へ抜ける間隔を、それぞれ分担する電界強度の大きさに逆比例させて最内周から外側に向って順次広くする。その理由は、電界強度が高くなり易い最内周の前記間隔が分担する電界強度をできるかぎり少なくして、より外側の間隔が分担する電界強度を増加させることにより、できるだけ各間隔における電界強度の分担を平均化するためである。

一方エミッタ電極をグラウンド電位とし、コレクタ電極を負電位とする逆バイアス時には、図１の接合終端構造外周部側を拡大して示す図４の断面図では、前述とは逆に空乏層１２４はコレクタ電位と同電位の分離拡散領域の最外周端２２−Ｘから矢印で示す内周側に向って伸び始める。前述と同様な考え方により、電界強度は前記分離拡散領域の最外周部３１の近傍が最も高くなるので、前記最外周部の電界強度の分担を少なくするように距離を狭くする必要がある。そして、前述と同様に内周に向って、中央部のフローティングガードリング７−２まで、順次間隔Ｄ５、Ｄ６を広げるようにするのである。

本発明にかかる逆阻止プレーナ形ＩＧＢＴは、以上説明したような接合終端構造とすることにより、順逆方向共に、電圧印加時に、接合終端構造内での電界集中によるブレークダウンが発生せず、共に高アバランシェ耐量を有する素子とすることができた。

本発明にかかる双方向高耐圧プレーナ型半導体装置は、マトリックスコンバータなどの電力変換装置に使用されるパワー半導体装置として利用することが好適である。

本発明にかかる双方向高耐圧プレーナ型半導体装置の接合終端構造部の断面図 従来の双方向高耐圧プレーナ型半導体装置の順耐圧接合終端構造部の拡大断面図 本発明にかかる双方向高耐圧プレーナ型半導体装置の順耐圧接合終端構造部の拡大断面図 本発明にかかる双方向高耐圧プレーナ型半導体装置の逆耐圧接合終端構造部の拡大断面図 従来の双方向高耐圧プレーナ型半導体装置の接合終端構造部の断面図 従来の分離拡散型逆阻止ＩＧＢＴの接合終端構造部の断面図 従来の直接リンク形変換回路等のマトリクスコンバータの回路図 ＩＧＢＴに直列にダイオードを接続した双方向スイッチング素子の等価回路図 逆阻止型ＩＧＢＴによる双方向スイッチング素子の等価回路図 プレーナ形ＩＧＢＴの活性部領域の断面図

符号の説明

１ 第一導電型半導体基板
２ 第二導電型コレクタ層
３ 第二導電型ベース層
４ フローティングガードリング
５ 第二導電型分離拡散層
６−１ フィールド絶縁膜
６−２ 層間絶縁膜
７−１ 導電性フィールドプレート
７−２ 中央導電性フィールドプレート
８ 一方の主面
９ 他方の主面

Claims (3)

1. 第一導電型半導体基板の一方の主面から他方の主面に至る第二導電型の分離拡散領域と、該分離拡散領域に囲まれた前記半導体基板の一方の主面側に形成されるプレーナ接合を有する第二導電型ベース領域と、該ベース領域と前記分離拡散領域との間に形成される接合終端構造とを少なくとも備え、第一導電型半導体基板の他方の主面側には前記分離拡散領域に接続される第二導電型のコレクタ層を備える高耐圧プレーナ型半導体装置において、前記接合終端構造が前記第二導電型ベース領域の外周表面に間隔をおいて形成される第二導電型環状フローティングガードリングと、前記分離拡散領域と前記ガードリングと前記第二導電型ベース領域とのそれぞれの間の表面に形成されるフィールド絶縁膜と、前記分離拡散領域と前記ガードリングと前記第二導電型ベース領域とにそれぞれ導電接触する導電性フィールドプレートとを具備し、少なくとも最内周とその次の外周の前記フィールド絶縁膜上では前記導電性フィールドプレートが外周に向う方向に張り出し、かつ少なくとも最外周とその次の内周の前記フィールド絶縁膜上では前記導電性フィールドプレートが内周に向う方向に張り出しており、前記ガードリングが接合端部構造の中央部のガードリングを挟んでそれぞれ一リング以上形成され、フィールド絶縁膜上で外周に向う方向に張り出した導電性フィールドプレートの先端と、該導電性フィールドプレートに対向する直近の外側ガードリング表面の最内端との距離が最内周ガードリングから外側のガードリングに向って中央部ガードリングに至るまで、またはフィールド絶縁膜上で内周に向う方向に張り出した導電性フィールドプレートの先端と、該導電性フィールドプレートに対向する直近の内側ガードリング表面の最外端との距離が最外周ガードリングから内側のガードリングに向って中央部ガードリングに至るまで、それぞれ順次広くされていることを特徴とする双方向高耐圧プレーナ型半導体装置。
2. 前記第二導電型ベース領域の外周表面に間隔をおいて形成される第二導電型環状フローティングガードリングが、中央部ガードリングより内周側では主として順方向耐圧を担い、中央部より外周側では主として逆方向耐圧を担うことを特徴とする請求項１記載の双方向高耐圧プレーナ型半導体装置。
3. 半導体装置が逆阻止絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項１または２記載の双方向高耐圧プレーナ型半導体装置。

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